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ESO Problemas de AulaJuan Carlos Prez y Sergio Sez
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Table of ContentsProblemas de aula 2. Funciones. Uso de la
pila................................................................................................1
2.1
Introduccin.......................................................................................................................................12.2
Funciones...........................................................................................................................................12.3
Uso de la
pila.....................................................................................................................................32.4
La direccin de
retorno......................................................................................................................6
ESO Problemas de Aula
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Problemas de aula 2. Funciones. Uso de la pila.
Juan Carlos Prez &Sergio Sez
Sergio SezJuan Carlos Prez
[email protected]@disca.upv.es
2.1 Introduccin
En esta sesin abordaremos diversos aspectos del mecanismo de
invocacin a funciones y del paso deparmetros.
El concepto de funcin es bsico en C. El cdigo de inicializacin
generado por el compilador(enlazado por el cargador) se encarga de
que la funcin principal del programa int main (intargc, char *
argv[]) se ponga en ejecucin al inicio.
La funcin main() recibir los parmetros que el programa que
ejecuta el binario (tpicamente elintrprete de rdenes) le haya
pasado a la llamada al sistema exec(3).
La pila del proceso es el lugar donde se guardan estos
parmetros, las variables locales de cadafuncin y la direccin de
retorno.
2.2 Funciones
Empezaremos estudiando un programa simple que utiliza dos
funciones: atof() y sqrt(). Cpialo en tueditor Sera recomendable
que crearas en tu directorio home un subdirectorio prog1, guardaras
ah esteprograma como prog1.c y trabajaras dentro de ese
directorio.
/* prog1.c */
#include
int main (int argc, char * argv[]) { double valor;
printf("Argumento 1 (texto): %s\n", argv[1]); valor=
atof(argv[1]); printf("Argumento 1 (nmero): %.2f\n", valor);
printf("Funcin: sqrt(%.2f) = %.2f\n", valor, sqrt(valor)); return
0;} /* end main */
Compila el programa: gcc prog1.c o prog1 Observa el error que
aparece. Intenta entenderlo.
prog1.c:20: warning: type mismatch in implicit declaration
Problemas de aula 2. Funciones. Uso de la pila. 1
mailto:[email protected]:[email protected]
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for builtin function `sqrt'undefined reference to
`sqrt'collect2: ld returned 1 exit status
El compilador de C considera por omisin (cuando la funcin no se
ha definido en ese fichero y no seha declarado, especificando los
detalles, mediante un prototipo) que las funciones devuelven
unentero y esperan recibir el tipo de parmetros que se le pasan.
Una funcin se declara cuando seespecifica su tipo y los tipos de
sus parmetros y se define cuando adems se especifica su cdigo.Una
funcin puede declararse muchas veces pero slo puede definirse una
vez. La declaracin de unafuncin en C se denomina tambin
prototipo.
El enlazador espera encontrar definidas todas las funciones en
alguno de los ficheros objeto obibliotecas que se le
especifican.
Para que encuentre la funcin sqrt() hay que incluir en la lnea
de compilacin, comovimos en la sesin anterior, la opcin de enlazar
con la biblioteca matemtica. (Si norecuerdas cmo hacerlo, busca en
el enunciado de la sesin anterior)
Ahora slo tendremos un "warning", el mismo que en la compilacin
anterior, pero elejecutable se crear. Analiza los resultados
ejecutando el programa primero sin argumentos ydespus con un
argumento numrico. Por qu se produce cada uno de estos errores
defuncionamiento?
$ prog1Argumento 1 (texto): (null)Segmentation fault
$ prog1 16Argumento 1 (texto): 16Argumento 1 (nmero):
0.00Funcin: sqrt(0.00) = 0.00
Lo primero es entender el "warning". Efectivamente, el
compilador asume que sqrtdevuelve un entero y por tanto interpreta
mal el valor de retorno de dicha funcin.
Miramos la pgina de manual de sqrt y vemos que su prototipo est
en el fichero decabecera math.h. Aade el correspondiente #include
en el programa. El fichero math.hse encuentra en un directorio
estndar de ficheros de cabecera. Se lo hemos de indicar
alpreprocesador de C ponindolo entre < y >. Si estuviera en
el directorio actual loescribiramos entre comillas.
Compila y ejecuta el programa con un argumento numrico Da algn
aviso el compilador? Funciona bien el programa? Cul crees que es la
razn de este funcionamiento?
Existe una opcin muy til del compilador que nunca est de ms
activar: Wall . Con ellapedimos que se generen todos los avisos,
aun los a priori menos importantes. Prueba a incluiresta opcin en
la compilacin. Puedes aadir cualquier opcin en cualquier punto de
la lneade compilacin excepto, por supuesto, entre o y prog1
prog1b.c:18: warning: implicit declaration of function
`atof'
Miramos la pgina del manual de la funcin atof() y vemos que
tambin devuelve un tipodouble y no un entero como asume el
compilador por omisin. Vemos adems que suprototipo est en un
fichero de cabecera determinado. Inclyelo en tu cdigo y compila
denuevo.
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Problemas de aula 2. Funciones. Uso de la pila. 2
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El programa ya funciona cuando lo invocamos con un argumento
numrico, pero fallar alinvocarlo sin argumentos.
Modifcalo para que compruebe el nmero de argumentos recibido y
si no es el que esperaimprima algo como:
$ prog1Uso: prog1 Calcula la raiz cuadrada de
2.3 Uso de la pila
Sabemos que la pila es la estructura que el compilador emplea
para pasar los parmetros a lasfunciones y almacenar las variables
locales. Vamos a ver en la prctica cmo funciona estemecanismo y a
hacer algunas pruebas para entenderlo mejor.
Crea un nuevo subdirectorio prog2 y bjate los ficheros
funciones.c, funciones.h y pila.h. Examina estos ficheros:
En los dos primeros se define la funcin resta() que simplemente
resta dosnmeros y muestra el contenido de la pila (3 enteros a
partir del puntero de pila).
En el tercero se definen una serie de macros para acceder a la
pila, modificarla, saltara una funcin usando instrucciones de salto
a subrutina y salto incondicional, etc.
Copia en tu editor el siguiente programa:
/* prog2.c */#include #include #include "funciones.h"#include
"pila.h"
int main (int argc, char * argv[]) { int e; int p1, p2;
p1= atoi(argv[1]); p2= atoi(argv[2]); e= resta(p1,p2);
printf("resta(%d,%d) = %d\n", p1, p2, e); return 0;} /* end main
*/
Compila y ejecuta prog2. Se recomienda utilizar las opciones del
compilador Wall O3.Funciona correctamente? Eres capaz de
interpretar el resultado?
El compilador usa el registro EBP como frame pointer, es decir,
como base para indexar losparmetros y v. locales en la pila. De
este modo, a cada variable se le asocia undesplazamiento respecto a
esta base y el compilador se halla libre de modificar el puntero
depila.
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2.3 Uso de la pila 3
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Utilizando la herramienta objdump podemos echarle un vistazo al
cdigo en ensambladorgenerado para invocar a la funcin resta().
; Con anterioridad se ha preparado un hueco en la pila con una ;
instruccin del tipo "sub $0x8, %esp"8048494: 89 44 24 04 mov
%eax,0x4(%esp) ; Copia en la pila el parmetro 28048498: 89 c3 mov
%eax,%ebx ; Almacena %eax en un registro ; puesto que el registro
%eax es ; el de retorno804849a: 89 34 24 mov %esi,(%esp) ; Copia en
la pila el parmetro 1804849d: e8 2e ff ff ff call 80483d0 ;
Invocacin de la funcin resta80484a2: ; Direccin de retorno
Vemos que el compilador no utiliza la instruccin push para meter
los parmetros en la pila,si no que hace alguna optimizacin.
Observa que la direccin de retorno debera coincidir con la
mostrada al ejecutar el programaprog2.
A continuacin vamos a invocar a la funcin resta() directamente
en ensamblador. Paraello utilizaremos unas macros que nos van a
permitir insertar directamente cdigo enensamblador en el programa
en "C". La sintaxis de la directiva __asm__ la analizaremos enla
sesin PA5.
Las macros de las que disponemos son:guarda_registros():
Almacena en la pila los registros %ebx, %ecx y %edx que semodifican
en la funcin resta().Como la funcin resta tiene cdigo
directamenteen ensamblador, el compilador no es capaz de determinar
que registros se venmodificados por dicha funcin, y por lo tanto
los tenemos que guardar nosotros antesde invocar a la funcin.
parametro(p): Inserta el parmetro p en la pila. invoca(f,r):
Invoca a la funcin f (utilizando la instruccin en ensamblador
call),reestablece el estado de la pila (elimina el espacio ocupado
por los parmetrossumndole 8 al puntero de pila) y almacena el valor
de retorno en r. El valor deretorno en los programas en "C" se
suele almacenar en el registro %eax.
recupera_registros(): Recupera los registros almacenados antes
de la invocacin dela funcin resta().
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2.3 Uso de la pila 4
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As pues, el cdigo de la invocacin a la funcin:
e= resta(p1,p2);
quedara:
guarda_registros(); parametro(p2); parametro(p1); invoca(resta,
e); recupera_registros();
Es interesante destacar que los parmetros se insertan en la pila
en orden inverso al que aparecen en ladeclaracin de la funcin
resta().
Compila y ejecuta el programa con los dos argumentos numricos.
Da algn aviso el compilador?Funciona el programa correctamente?
Si utilizamos la opcin E del compilador podremos observar el
cdigo generado finalmente en "C".
int main (int argc, char * argv[]) {
int e;
int p1, p2; p1= atoi(argv[1]); p2= atoi(argv[2]);
__asm__ __volatile__( "pushl %ebx\n" "pushl %ecx\n" "pushl
%edx\n" ); __asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p2) );
__asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p1) ); __asm__
__volatile__( "call ""resta""\n" "add $0x8, %%esp\n" : "=a" (e) );
__asm__ __volatile__( "popl %edx\n" "popl %ecx\n" "popl %ebx\n"
);
printf("resta(%d,%d) = %d\n", p1, p2, e);
return 0;}
En el cdigo se puede observar que nosotros hemos utilizado la
instruccin push para almacenar losparmetros en la pila.
Si le echamos un vistazo al cdigo en ensamblador veremos que
varia con respecto al generado por elcompilador.
8048496: push %ebx ; Almacena algunos registros8048497: push
%ecx8048498: push %edx8048499: push %eax ; Inserta en la pila el
parmetro 2804849a: mov %ebx,%eax804849c: push %eax ; Inserta en la
pila el parmetro 1804849d: call 80483d0 ; Invocacin de la funcin
resta80484a2: add $0x8,%esp ; Elimina los parmetros de la
pila80484a5: pop %edx ; Reestablece los registros80484a6: pop
%ecx80484a7: pop %ebx
La direccin de retorno debera coincidir con la mostrada al
ejecutar el programa prog2.
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2.3 Uso de la pila 5
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2.4 La direccin de retorno
La instruccin en ensamblador call introduce automticamente la
direccin de retorno en la pila, deforma que la instruccin ret al
final de cada funcin sepa dnde debe continuar la ejecucin
delprograma.
Este comportamiento se puede "simular" introduciendo la direccin
de retorno en la pila manualmente(con un push) y utilizando una
instruccin jmp para saltar a la direccin de comienzo de la
funcin.
Cuando se ejecute la instruccin ret volver a la direccin que
encuentre en la pila. Elcomportamiento ser idntico al que tendra se
se utilizar la instruccin call.
Vamos a comprobar este comportamiento mediante el uso de la
macro invoca_salto(f,r). Esta macrose comprta igual que la macro
invoca(), pero gener un cdigo en ensamblador que utiliza
lainstruccin jmp.
Modificad el cdigo de prog2 para que utilice la macro
invoca_salto(). Si mostramos el cdigo preprocesado se puede
observar el uso de la etiqueta $1f para determinar ladireccin de
retorno.
... __asm__ __volatile__( "pushl %ebx\n" "pushl %ecx\n" "pushl
%edx\n" ); __asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p2) );
__asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p1) ); __asm__
__volatile__( "pushl $1f\n" "jmp ""resta""\n" "1:" "add $0x8,
%%esp\n" : "=a" (e) ); __asm__ __volatile__( "popl %edx\n" "popl
%ecx\n" "popl %ebx\n" );
printf("resta(%d,%d) = %d\n", p1, p2, e);...
En ensamblador quedara:
8048496: push %ebx ; Almacena algunos registros8048497: push
%ecx8048498: push %edx8048499: push %eax ; Inserta en la pila el
parmetro 2804849a: mov %ebx,%eax804849c: push %eax ; Inserta en la
pila el parmetro 1804849d: push $0x80484a7 ; Inserta la direccin de
retorno80484a2: jmp 80483d0 ; Salta a la direccin de la
funcin80484a7: add $0x8,%esp ; Elimina los parmetros de la
pila80484aa: pop %edx ; Reestablece los registros80484ab: pop
%ecx80484ac: pop %ebx
Si compilamos y ejecutamos la nueva versin del programa, el
comportamiento debera ser el mismo.
Aunque este comportamiento no tiene una utilidad aparente, se
puede utilizar para que una funcinretorne a un punto distinto del
programa, en vez de a la instruccin siguiente. Esto se utiliza en
elncleo de Linux para llevar a cabo parte del cambio de
contexto.
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2.4 La direccin de retorno 6
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Modificando nuestro pragrama prog2 para comprobar este
comportamiento, el progrma quedaacomo sigue:
... guarda_registros(); parametro(p2); parametro(p1);
salto(resta, salida);
printf("Este mensaje no se imprime\n");
destino(salida, e); recupera_registros(); printf("Salida
alternativa= resta(%d,%d) = %d\n", p1, p2, e);...
Si compilamos y ejecutamos la nueva versin: Cul es el
comportamiento? Se ejecuta la funcinprintf(...) que hay a
continuacin de la macro salto()?
El contenido final del programa en "C" una vez preprocesado
sera:
... __asm__ __volatile__( "pushl %ebx\n" "pushl %ecx\n" "pushl
%edx\n" ); __asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p2) );
__asm__ __volatile__( "push %%eax\n" : : "a" (p1) ); __asm__
__volatile__( "pushl $""salida""\n" "jmp ""resta""\n" );
printf("Este mensaje no se imprime\n");
__asm__ __volatile__( "salida"":\n" "add $0x8, %%esp\n" : "=a"
(e) ); __asm__ __volatile__( "popl %edx\n" "popl %ecx\n" "popl
%ebx\n" ); printf("Salida alternativa= resta(%d,%d) = %d\n", p1,
p2, e);...
En ensamblador quedara:
80484d2: push %ebx ; Almacena algunos registros80484d3: push
%ecx80484d4: push %edx80484d5: push %eax ; Inserta en la pila el
parmetro 280484d6: mov %esi,%eax80484d8: push %eax ; Inserta en la
pila el parmetro 180484d9: push $0x80484ef ; Inserta la direccin de
retorno80484de: jmp 8048410 ; Salta a la direccin de la
funcin80484e3: movl $0x804865a,(%esp) ; Este cdigo no se
ejecuta80484ea: call 80482f4
080484ef :80484ef: add $0x8,%esp ; Elimina los parmetros de la
pila80484f2: pop %edx ; Reestablece los registros80484f3: pop
%ecx80484f4: pop %ebx
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2.4 La direccin de retorno 7
Table of ContentsProblemas de aula 2. Funciones. Uso de la
pila.2.1 Introduccin2.2 Funciones2.3 Uso de la pila2.4 La direccin
de retorno
